某型發(fā)動機四級風(fēng)扇被高性能前掠三級軸流風(fēng)扇代替(zt)

1、某型發(fā)動機四級風(fēng)扇被高性能前掠三級軸流風(fēng)扇代替某型發(fā)動機四級風(fēng)扇被高性能前掠三級軸流風(fēng)扇代替(ZT)(ZT)摘要：本文介紹了一臺高性能前掠葉型三級軸流風(fēng)扇的設(shè)計與試驗研究。該風(fēng)扇以某渦扇發(fā)動機為驗證平臺，全新設(shè)計一臺三級風(fēng)扇代替該發(fā)動機原四級風(fēng)扇，并提高性能。新設(shè)計的輸入條件為：保持原四級風(fēng)扇的進出口幾何尺寸、總壓比、轉(zhuǎn)速和喘振裕度，效率不低于原四級風(fēng)扇試驗值。設(shè)計中采用了葉片掠型設(shè)計、葉片三維成型技術(shù)和三維氣動設(shè)計分析等先進技術(shù)。試驗

2、結(jié)果表明，新設(shè)計的三級風(fēng)扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超過了設(shè)計指標(biāo)。該新三級風(fēng)扇串裝于某發(fā)動機順利完成地面試車，其不加力最大推力增加464daN，超過了原計劃增加200daN的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇；前掠葉型；設(shè)計；試驗1概述概述本文介紹了一臺三級軸流風(fēng)扇的設(shè)計與試驗研究，研究目的是將某型發(fā)動機四級風(fēng)扇(簡稱“原四級風(fēng)扇”)用新設(shè)計的三級風(fēng)扇(簡稱“新三級風(fēng)扇”)代替。為了保持換裝風(fēng)扇的互換性，要求在原四級風(fēng)扇的進出口幾何尺寸

3、、轉(zhuǎn)速、總壓比及喘振裕度不變的條件下，風(fēng)扇絕熱效率不低于原四級風(fēng)扇的試驗值，重量和軸向長度應(yīng)不大于原四級風(fēng)扇相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了使該發(fā)動機推力增加，重量減輕，提高發(fā)動機的推重比和減小耗油率。同時進一步驗證風(fēng)扇的設(shè)計體系。由于無原四級風(fēng)扇設(shè)計資料，必須做原型風(fēng)扇的總性試驗，所以設(shè)計了原四級風(fēng)扇總性能試驗件，并進行加工和總性能試驗，獲得了原四級風(fēng)扇特性線。根據(jù)總體性能計算確定原發(fā)動機和風(fēng)扇的共同工作線在發(fā)動機上匹配工作的狀態(tài)點，并確

4、定新的三級風(fēng)扇設(shè)計點參數(shù)，即：總壓比、絕熱效率、喘振裕度和進口空氣流量。根據(jù)設(shè)計點參數(shù)進行一維設(shè)計特性計算和一維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，進行S2流面計算，優(yōu)化S2流面設(shè)計參數(shù)，進行葉片造型設(shè)計、二維計算特性和粘性三維氣動正問題計算。通過粘性三維正問題計算發(fā)現(xiàn)問題，進一步優(yōu)化S2流面設(shè)計參數(shù)和葉片造型設(shè)計參數(shù)，再進行粘性三維計算，這樣反復(fù)進行設(shè)計迭代直至風(fēng)扇氣動性能滿足總體技術(shù)要求，才轉(zhuǎn)入強度、振動和非定常氣動力計算及顫振分析，若發(fā)現(xiàn)問題又返回到S

5、2流面計算，進行上述迭代循環(huán)設(shè)計，直至參數(shù)滿意為止。在設(shè)計中采用的先進設(shè)計技術(shù)有：(1)采用經(jīng)過多臺壓氣機風(fēng)扇設(shè)計和試驗驗證的一維、二維、三維設(shè)計系統(tǒng)；(2)葉片前掠設(shè)計技術(shù)；(3)葉片三維成型設(shè)計技術(shù)；(4)非定常氣動力計算及顫振分析技術(shù)。新三級風(fēng)扇首先在部件試驗器上完成了總性能試驗，試驗結(jié)果超過了設(shè)計值，這初步證明了風(fēng)扇性能設(shè)計是成功的。然后，該試驗件與做相應(yīng)修改設(shè)計的新低壓渦輪部件匹配，與原型發(fā)動機核心機組成新的發(fā)動機驗證平臺，在

6、地面臺上完成了發(fā)動機地面臺架試驗，發(fā)動機工作正常，其不加力推力比原型提高464daN(設(shè)計要求為200daN)，超過了設(shè)計值，進一步證明了新三級風(fēng)扇設(shè)計是成功的。2某發(fā)動機原四級風(fēng)扇總性能試驗?zāi)嘲l(fā)動機原四級風(fēng)扇總性能試驗2.1試驗結(jié)果出各葉排進出口的氣動參數(shù)、各計算站的氣動參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。多級風(fēng)扇設(shè)計與多級高壓壓氣機一樣，設(shè)計中考慮了主要參數(shù)的分布規(guī)律，以利于增加變工況的運行效率，改善中低轉(zhuǎn)速的特性。新三級風(fēng)扇主要參數(shù)選擇主要基于

7、一維設(shè)計結(jié)果而定，同時也考慮了二維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和S2流面的計算結(jié)果。根據(jù)原四級風(fēng)扇的試驗結(jié)果，其出口總壓沿徑向基本上是等壓比分布。新三級風(fēng)扇各級的級壓比沿徑向基本上也為等總壓比分布。風(fēng)扇的流路設(shè)計要考慮到風(fēng)扇負荷沿軸向和展向的分布，其設(shè)計好壞直接影響每一根流線上的氣動參數(shù)，影響葉片根尖截面的氣體流動。流路參數(shù)的選擇取決于以下幾點：(1)葉片的負荷水平和各葉片排的損失；(2)沿葉片整個和局部的擴散因子及速度擴散；(3)各葉片排的進口軸向馬

8、赫數(shù)。新三級風(fēng)扇一級轉(zhuǎn)子葉片葉尖進口尺寸同中發(fā)風(fēng)扇試驗件相同，出口尺寸與原四級風(fēng)扇相同。圖5所示為新三級風(fēng)扇的流道。它的內(nèi)壁流道是一條光滑曲線，外壁流道第一級轉(zhuǎn)子葉片從進口向后直到第三級出口，外徑逐漸下降，其中第一、第二級靜葉出口外徑減小較多。3.4新三級風(fēng)扇葉片造型根據(jù)新三級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進口相對馬赫數(shù)高、級負荷大、激波較強的特點，轉(zhuǎn)子葉片采用任意多項式葉型進行設(shè)計。任意多項式葉型通過S2流面通流計算優(yōu)化靜壓來計算相對氣流角，控制槽道內(nèi)的逆

9、壓梯度，減少葉片的分離損失，從而達到損失低的目的。第一級轉(zhuǎn)子葉片采用了前掠設(shè)計技術(shù)。采用前掠技術(shù)設(shè)計的轉(zhuǎn)子葉片具有高負荷、高效率及高氣動穩(wěn)定性的特點已經(jīng)得到證實。轉(zhuǎn)子葉片采用空間三維空間成型設(shè)計技術(shù)，該設(shè)計有利于改善轉(zhuǎn)子葉片空間全三維流場氣動負荷的分布，減小二次流損失，改善風(fēng)扇工作特性。風(fēng)扇第一級轉(zhuǎn)子葉片的形狀見圖6。第二、第三級轉(zhuǎn)子葉片采用小前掠設(shè)計。各排靜子葉片采用定制葉型進行設(shè)計。定制葉型能有效控制葉型表面附面層發(fā)展，避免或推遲附

10、面層分離，提高壓氣機效率和穩(wěn)定裕度。該葉型的設(shè)計特別考慮了抑制前緣吸力面來流的加速膨脹，降低葉型損失，擴大工作范圍。圖7～圖9是各級靜子中間截面S1流面計算的葉型表面馬赫數(shù)和附面層形狀因子分布。3.5新三級風(fēng)扇二維計算分析計算采用基于軸對稱模型(正問題)的二維多級軸流壓氣機數(shù)值分析程序。程序使用壓氣機平面葉柵吹風(fēng)結(jié)果進行了修正，使得這些試驗結(jié)果可以應(yīng)用到變半徑、變厚度的葉柵上。采用二維正問題計算方法得到的二維計算特性見圖10。根據(jù)計算結(jié)

11、果，新三級風(fēng)扇各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。3.6新三級風(fēng)扇全三維粘性分析設(shè)計過程分別采用了DENTON和NUMECA全三維粘性流場計算程序?qū)π氯夛L(fēng)扇進行計算分析。圖11～圖13是新三級風(fēng)扇不同葉展葉片表面馬赫數(shù)分布情況，圖14為轉(zhuǎn)子吸力面、靜子壓力面馬赫數(shù)分布，圖15為轉(zhuǎn)子壓力面、靜子吸力面馬赫數(shù)分布。在轉(zhuǎn)子葉片排的根部截面，由于葉型較厚，氣流在葉背加速比較明顯，但是由于根部進口馬赫數(shù)較低，葉片前段葉背氣流加速并沒有在槽道內(nèi)造成強激波，